Para entender la dependencia de los cambios morfológicos producidos por el flujo iónico a una condición de dosis fija (sección 3.2), se estudia la relación entre el contenido de metal (Fe, Mo y total) y la morfología final obtenida. En la figura 3.17, se representa el contenido de metal en función de para una serie de muestras con una dosis fija ~4 x 1017 ion/cm2 y entre 50-260 µA/cm2. Conviene remarcar que
en estos experimentos sólo se ha variado el flujo iónico dejando fijos el resto de parámetros experimentales. Como eje X superior, también se muestra el sesgo S estimado del ajuste lineal de la figura 3.6 (a). Claramente, los datos muestran que el
patrón de nanoagujeros presenta un contenido total de metal (Fe +Mo) entre 2.75 –
3.5 x 1015 at/cm2 siempre superior a los nanopuntos, que muestran un contenido por
debajo de 2.5 at/cm2. Los cambios en el contenido total de metal (puntos azules)
están gobernados fundamentalmente por los cambios en la cantidad incorporada de
Fe (puntos negros), ya que el Mo (puntos rojos) se puede considerar constante en
casi todo el rango utilizado de flujos, salvo para la condición de mayor flujo (260
μA/cm2) que muestra una disminución de metal de casi la mitad, pasando de 1.1 x
1015 at/cm2 a ~6 x 1014 at/cm2.
Recientemente, en el trabajo de Ozaydin et al. [2] se ha reportado que el contenido de metal residual en muestra es de aproximadamente ~5 %. Para comparar la cantidad de metal en tanto por ciento con los resultados de la fig. 3.17, se ha considerado que estos metales se distribuyen homogéneamente sobre la capa amorfa que posee una densidad superficial, medida por RBS, de ~4 x 1016 at/cm2.
En consecuencia, una estimación razonable del porcentaje de metal en superficies con un patrón de nanoagujeros es ~8% mientras que para los nanopuntos es aproximadamente de 5%. Este último resultado es similar al encontrado por
Ozaydin, lo que podría explicar que no se observe un patrón de nanoagujeros ya que
éstos siempre presentan un contenido ligeramente superior de metal. Conviene señalar que los porcentajes calculados podrían estar subestimados debido a la falta de resolución en profundidad del RBS, ya que las impurezas de metal parecen estar primordialmente localizadas en la superficie como se verá por TEM en la sección 3.5. En cualquier caso, el RBS proporciona una tendencia cualitativa fiable del contenido de metal y muestra la alta sensibilidad de los procesos de nanoestructuración a los pequeños cambios en la composición superficial.
A continuación se explica el modelo utilizado en la fig. 3.17 (b) para estimar el balance residual de metal en superficie después de los procesos de incorporación y erosión, a fin de comparar con las tendencias experimentales de la figura 3.17 (a). Este modelo consiste en una estimación del balance final entre la tasa de incorporación de metal y la tasa de erosión en muestra. Para ello distinguiremos entre el aporte de átomos de Fe y Mo, ya que al provenir de diferentes vías su tasa de crecimiento será por tanto distinta.
Figura 3.17: (a) Contenido de metal (Fe, Mo y total) medido por RBS frente al flujo , para una serie de muestras irradiadas a una dosis fija de 4 x 1017 ions/cm2. El eje X superior muestra el sesgo estimado del ajuste lineal de la figura 3.6 (a). Los símbolos corresponden a las siguientes morfologías: plana (), nanoagujeros (), mixta () y nanopuntos ().(b) Balance entre el ritmo de incorporación y erosión de los metales a partir del modelo descrito en este apartado.
Para estimar la velocidad de incorporación de los átomos de Fe, a 18 cm de la fuente, se utiliza la relación de la fig. 3.16 vFe 0.008ID . En dicha ecuación se
introducirán los valores medidos experimentalmente de la corriente de descarga correspondiente a cada flujo iónico, dando lugar a un comportamiento con :
7 . 0 008 . 0 Fe v .
Para estimar la velocidad de erosión de los átomos de Fe que se encuentran en la superficie de la muestra, se ha considerado la relación conocida como rendimiento de erosión (sputtering):
b
eros
m Y
v , donde Y es el yield (número de
átomos arrancados por ión incidente), y mb y la masa molar del blanco y su
densidad, respectivamente. A continuación, se puede extraer el valor de Y = 0.95 a partir de la relación de la tasa de erosión con (veros~0.05) de la fig. 3.16. Este valor contiene la suma del sputtering yield de cada elemento presente en la superficie (Si, Fe y Mo), por lo que a partir de simulaciones por TRIM [41], y considerando una capa compuesta por Si y Fe, se puede extraer la cantidad de metal de Fe necesario para obtener valores de Y~0.95, y que en este caso resulta del 7%. De esta forma el valor de Y referido únicamente al Fe, YFe~0.1, lo utilizaremos para
estimar la nueva relación veros(): veros~0.005.
Por último, el balance entre la incorporación de Fe y la erosión de éste en superficie vendrá dado por: .· · . . Este resultado puede seguirse en la figura 3.17 (b) para el Fe residual (línea continua negra).
En el caso de Mo (línea roja), la cantidad de metal incorporado en la superficie será proporcional al flujo de iones incidente, ya que éstos serán los encargados de la erosión de la máscara, multiplicado por un factor de eficiencia que tiene en cuenta el número de átomos de Mo que son incorporados del total de átomos erosionados de la máscara. La velocidad de erosión de los átomos de Mo procedentes de la superficie del blanco se calcula a partir de la misma relación
anterior ~ Φ . A partir de simulaciones por TRIM [41], y considerando
una capa compuesta por Si, Fe y Mo, con un 5% de Fe, un 2% de Mo y el resto Si, se extrae un valor de Y~0.05 para el Mo (considerando que el total de Y es el mismo que antes ~0.95). En este caso, ya que tanto la tasa de incorporación de Mo como la erosión son proporcionales a , da lugar a un balance constante entre ambos.
El modelo utilizado para estimar el balance entre las tasas de incorporación y erosión de los metales presentes en la superficie avala los resultados experimentales sobre la capacidad de modular composicionalmente la cantidad de impurezas presentes en la superficie a través del flujo. Este escenario es similar al considerado por Shenoy et al. [10] en la nanoestructuración de aleaciones, donde a través del flujo se consigue modular composicional y morfológicamente la superficie.